Hirnforschung Lauschangriffe auf das Gehirn

Informationsaustausch Von Hirn zu Hirn

(Video: Laboratory of Dr. Miguel Nicolelis, Duke University, Department of Neurobiology)

Bei ihren Versuchen, Maschinen direkt mit Hirnströmen zu steuern, machen Forscher große Fortschritte. Sie übermitteln inzwischen Sinneseindrücke von einer Ratte zu anderen und geben gelähmten Menschen die Kontrolle über Roboterarme.

Von Christopher Schrader

Für Jan Scheuermann war der Tag schöner als vorgezogene Weihnachten. Die Amerikanerin hat sich Mitte Dezember vergangenen Jahres selbst ein Stück Schokolade in den Mund geschoben. Ihre Freude wurde nicht so sehr durch die Süßigkeit ausgelöst, sondern vor allem durch das selbst gesteuerte Schieben. Die 53-jährige ist seit zehn Jahren vom Hals abwärts gelähmt.

Der Arm, der ihr die Schokolade zum Mund führte, gehörte nicht ihr, sondern einem Roboter in einem Labor der University of Pittsburgh. Scheuermann kontrollierte ihn über Elektroden, die in ihrem Gehirn implantiert sind. Nach einigen Monaten Training sagte die Frau bei einer Pressekonferenz: "Ich muss gar nicht mehr darüber nachdenken, in welche Richtung es gehen soll. Ich denke nur noch: Das will ich jetzt machen."

Etwa zur gleichen Zeit zeigten auch Paare von Ratten etliche Hundert sowie etliche Tausend Kilometer südlich von Pittsburgh erstaunliche Kunststücke. Ein Nager in Natal, Brasilien tastete sich mit seinen Schnurrbarthaaren durch einen engen Schlitz. 32 Elektroden in seinem Hirn erfassten die Wahrnehmung, Computer bereiteten die Signale auf und schickten sie per Internet nach Durham, North Carolina, wo sie mit einer Handvoll Elektroden ins Gehirn eines weiteren Tiers eingespeist wurden. Dieser Empfänger verhielt sich dann, als müsse er ebenfalls einen engen Schlitz passieren, obwohl das Hindernis vor ihm nur virtuell war, wie die Arbeitsgruppe des brasilianischen Forschers Miguel Nicolelis von der Duke University in Durham am Donnerstag vermeldete (Scientific Reports, online). Die Forscher hatten sozusagen Gedanken von der einen zur anderen Ratte übertragen.

Solche spektakuläre Versuche definieren ein Forschungsfeld, das sich viel vorgenommen hat: Blinde sollen wieder sehen, Gelähmte wieder gehen. "Unser Ziel ist es, dass ein gelähmter junger Mann bei der Fußball-Weltmeisterschaft 2014 in Brasilien den ersten Schuss abgibt", sagt Nicolelis. Ein Exoskelett, also ein Roboter, der von außen an die Beine geschnallt wird, soll gesteuert von Hirnströmen seines Trägers die nötige Kraft aufbringen, so der Forscher. Ob es so kommt, muss sich noch zeigen, aber Nicolelis gehört unzweifelhaft zu den führenden Forschern der Welt, die den Einsatz eingepflanzter Elektroden vorantreiben. Schnittstellen zwischen Gehirn und Maschine heißen solche Implantate, als handele es sich um den Druckeranschluss eines Computers.

Per Elektrode steuern Affen künstliche und eigene Hände

Viele der Experimente wirken auf den ersten Blick grausam, weil Forscher wie Nicolelis gesunde Tiere nutzen - Rhesusaffen vor allem, und seit Kurzem Ratten. Affen bewegen in seinem Labor schon seit zehn Jahren Roboter allein mit Hirnströmen. Anfangs mussten die Tiere dazu in ein Gestell geschnallt werden, wo ihre Bewegungen weitgehend unterbunden wurden. Wenn sie die Aufgabe bewältigten, bekamen sie eine kleine Belohnung. Inzwischen, so erzählte Nicolelis vor kurzem auf der Jahrestagung der Wissenschaftsorganisation AAAS in Boston, können sich die Tiere frei bewegen. Auf ihrem Kopf sitzt ein Konus, als trügen sie einen Hut, der den Anschluss zu den implantierten Elektroden verbirgt. "Es ist ein Spiel für sie, mit den Gedanken die äußere Welt zu steuern", sagt Nicolelis. "Die Affen übernehmen die Perspektive der ersten Person und versetzen sich in die Maschine hinein."

So hat einer von Nicolelis' Affen den Gang eines Roboters in Japan über das Internet gesteuert. Anderen Tieren hat das Forschungsteam einen Rückkanal ins Hirn gelegt, der ihnen Informationen über die vom Kunstarm berührten Gegenstände übermittelte. Die Affen konnten so das richtige unter mehreren gleich aussehenden Zielen gleichsam ertasten. Eine weitere Forschungsgruppe, das Team von Lee Miller an der Northwestern University in Chicago, hat derweil die im Hirn von Affen abgegriffenen Signale genutzt, um den Tieren die Kontrolle über ihre eigenen, zeitweise gelähmten Arme wieder zu geben. Mittels einer Injektion wurden Nerven im Oberarm blockiert, eine von den Hirnströmen kontrollierte elektrische Stimulation der Muskeln erlaubte es den Tieren jedoch, Bälle zu greifen und in Löcher zu legen. Und chinesische Forscher von der Zhejiang-Universität lassen einen Affen über implantierte Elektroden eine künstliche Hand mit all ihren Bewegungsmöglichkeiten steuern. Das Tier ist aber ähnlich eingezwängt wie bei Nicolelis' frühen Versuchen.

Der brasilianische Forscher hat sich mittlerweile auch Ratten zugewandt. Er überträgt nicht nur Geistesleistungen zwischen ihnen. Vor zwei Wochen ist eine Studie erschienen, in der Nicolelis' Team den Nagern einen zusätzlichen Sinn gegeben hat: Die Tiere konnten Infrarotlicht wahrnehmen. Ein entsprechender Sensor saß auf dem Kopf der Nager, seine Signale führten zu dem Bereich im Rattenhirn, der die Impulse von den Schnurrbarthaaren verarbeitet (Nature Communications, online).

Die Ratten lernten innerhalb von vier Wochen, sich beim Aufleuchten einer Infrarotdiode nicht mehr im Gesicht zu kratzen, sondern sich unter dem "Licht" einen Schluck Wasser zu holen. "Sie haben übrigens die Fähigkeit, sich mit den Schnurrbarthaaren zu orientieren, nicht verloren", sagt Nicolelis. Die Zellen verarbeiteten jetzt Wahrnehmungen von beiden Sinnen. "Das würde nicht funktionieren, wenn das Gehirn nicht die erstaunlichste Gabe zum Lernen hätte." Die Kunst besteht den Forschern zufolge daher gar nicht mehr darin, die Elektroden an die korrekten Neuronen im Gehirn anzuschließen. Es erledigt viele der Details von allein, wenn die Verbindungen nach außen einigermaßen passen.